КЛИСТРОН Российский патент 1996 года по МПК H01J25/14 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электровакуумным СВЧ приборам клистронного типа с кольцевым электронным потоком и внутривакуумной магнитной фокусирующей системой и может быть использовано, например, в бытовых СВЧ печах.

Перед авторами стояла задача создания новых источников СВЧ колебаний, имеющих высокие КПД, малые габариты и веса, высокую долговечность и обеспечивающих необходимую мощность при низких напряжениях питания. Для решения этой задачи авторы предлагают новый класс многорезонаторного СВЧ прибора, а именно, прибора клистронного типа с высокопервеансным кольцевым электронным потоком большого диаметра, кольцевыми резонаторами и внутривакуумной магнитной фокусирующей системой.

Известен клистрон [1] содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий сплошной цилиндрический (однолучевой) электронный поток, и магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, расположенных вне вакуумной оболочки клистрона. Однако в этом клистроне энергия магнитных элементов, расположенных вне вакуумной оболочки и имеющих большей внутренний диаметр, обусловленный размерами резонаторной системы, используется неэффективно.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является клистрон [2] содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий сплошной цилиндрический (однолучевой) электронный поток, и магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, расположенную в вакуумной части прибора в области пролетного канала.

Недостатком описанного технического решения является использование в нем сплошного цилиндрического (однолучевого) электронного потока, что, из-за ограниченности величины первеанса P_o ≅ 2•10^-6 A/B^3/2, не позволяет повысить СВЧ мощность или понизить напряжение питания. Кроме того, в [2] не обеспечивается однородная фокусировка электронного потока по его поперечному сечению.

Предлагаемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом существенно увеличить выходную СВЧ мощность прибора (или понизить напряжение питания) и обеспечивает более однородную фокусировку электронного потока по его поперечному сечению.

Для достижения данного технического результата в изобретении предложен клистрон, содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий электронный поток, и магнитную систему из кольцевых магнитов, размещенную внутри вакуумной части прибора в области пролетного канала, в котором в качестве источника электронов использован кольцевой катод, в качестве резонаторов использованы кольцевые резонаторы, а кольцевые постоянные магниты размещены попарно вокруг пролетного канала по обе стороны кольцевого электронного потока.

При этом предлагаются следующие варианты расположения магнитов:
магниты каждой пары расположены на входе и выходе электродинамической системы клистрона,
магниты каждой пары расположены между резонаторами клистрона;
магниты каждой пары расположены на входе и выходе электродинамической системы клистрона и по крайней мере между двумя резонаторами.

В зависимости от расположения магнитов могут быть реализованы различные варианты фокусировки.

Так, в первом случае может быть реализована, например, фокусировка в однородном магнитном поле, во втором и в третьем случаях реверсивная или периодическая в зависимости от количества магнитов и шага между магнитами, расположенными в области резонаторов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведен один из вариантов выполнения конструкции клистрона с реверсивной фокусировкой электронного потока. Другие варианты выполнения прибора не показаны на чертеже из-за того, что их конструкции можно представить на основании данного чертежа.

Клистрон содержит соосно расположенные электронную пушку с кольцевым катодом 1, электродинамическую систему, состоящую из, например, четырех кольцевых резонаторов 2 и коллектор 3 с радиаторами охлаждения. Магнитно-фокусирующая система содержит три пары коаксиальных кольцевых постоянных магнитов 4-4', 5-5' и 6-6'. При этом первая пара магнитов 4-4' расположена на входе резонаторной системы (между электронной, пушкой и входным резонатором прибора), вторая пара магнитов 5-5' между, например, вторым и третьим резонаторами, а третья пара магнитов 6-6' на выходе резонаторной системы (между выходным резонатором и коллектором).

Магниты размещены внутри вакуумной оболочки 7 клистрона вокруг кольцевого пролетного канала 8 (по обе стороны от него).

Магнитные поля во всех магнитах направлены, например, перпендикулярно пролетному каналу 8, при этом поля в магнитах 4, 5', 6 направлены в одну сторону, а поля в магнитах 4', 5, 6' в противоположную сторону.

Магнитная система, приведенная на чертеже, в совокупности с магнитопроводом 9 обеспечивает реверсивную (с одним реверсом) фокусировку электронного потока.

В данном варианте выполнения клистрона промежуточные пары магнитов 5-5' могут быть размещены и/или между другими резонаторами 2 в зависимости от требуемого распределения магнитного поля в конкретной конструкции.

Возможны и другие варианты выполнения конструкции клистрона. Например, прибор содержит пару магнитов 4-4' на входе резонаторной системы и пару магнитов 6-6' на выходе резонаторной системы, а промежуточные магниты 5-5' отсутствуют. В этом случае может быть получено, например, однородное распределение магнитного поля вдоль оси прибора.

В другом варианте выполнения прибор содержит промежуточные пары 5-5' магнитов, размещенные в определенной последовательности между резонаторами 2 электродинамической системы прибора, образуя, например, периодическую структуру, позволяющую осуществить периодическую фокусировку электронного потока.

Для всех вариантов выполнения конструкции прибора необходимо соблюдать следующие условия.

Наружный диаметр Ф_нар внутреннего магнита 4',5',6' должен удовлетворять соотношению:

а внутренний диаметр Ф_внутр. внешнего магнита 4,5,6 соотношению:
Ф_внутр≥ Ф_ср.кан+Δ_кан,
где Ф_ср.кан. средний диаметр пролетного канала,
Δ_кан ширина пролетного канала.

При этом для обеспечения компактности целесообразно, чтобы для внутреннего диаметра внутреннего магнита 4', 5', 6' и наружного диаметра Ф_нар. внешнего магнита 4, 5, 6 выполнялись соотношения

Ф_нар. ≅ Ф_{рез.нар.},
где Ф_{рез. внутр.} внутренний диаметр кольцевого резонатора,
Ф_{рез.нар.} наружный диаметр кольцевого резонатора.

Применение в клистроне кольцевого электронного потока и кольцевых резонаторов позволяет существенно повысить диаметр электронного потока и первеанс клистрона, который, в отличие от однолучевого клистрона со сплошным цилиндрическим электронным потоком может достигать величины 100•10^-6 A/B^3/2 и более. При этом для достижения высоких КПД парциальный первеанс не превышает величину первеанса однолучевого клистрона, т.е. ≅ 2•10^-6 A/B^3/2.

Достижение таких высоких первеансов позволяет существенно повысить мощность клистрона при заданном анодном напряжении или существенно практически на порядок понизить напряжения его питания.

Использование внутривакуумной магнитной фокусирующей системы позволяет располагать магниты вблизи кольцевого пролетного канала и концентрировать поток магнитной индукции непосредственно в пролетном канале, что значительно уменьшает размеры магнитной системы и исключает магнитные поля рассеяния за пределами вакуумной оболочки клистрона.

Применение же магнитов, попарно расположенных вокруг пролетного канала (по обе стороны кольцевого электронного потока), позволяет, в отличие от сплошного цилиндрического электронного потока, устранить неравномерность распределения фокусирующего магнитного поля от периферии электронного потока к его центру и обеспечить близкое к однородному распределение фокусирующего магнитного поля по сечению электронного потока.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в СВЧ устройствах, где требуются высокие КПД, малые габариты и веса и существенно пониженные питающие напряжения, в частности, бытовых СВЧ печах.

Использование: в области электронной техники для создания нового типа СВЧ прибора клистронного типа с кольцевым высокопервеансным электронным потоком, кольцевыми резонаторами и внутривакуумной магнитной фокусирующей системой, имеющего пониженное питающее напряжение (или повышенную выходную мощность), малые габариты и вес и высокий КПД. Сущность изобретения: в многорезонаторном клистроне с внутривакуумной магнитно-фокусирующей системой с постоянными кольцевыми магнитами в качестве резонаторов использованы кольцевые резонаторы, а кольцевые постоянные магниты размещены попарно вокруг пролетного канала (по обе стороны кольцевого электронного потока). При этом магниты могут быть размещены на входе и выходе электродинамической системы и по крайней меpе между двумя резонаторами клистрона, а также между резонаторами с заданной периодичностью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Клистрон, содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий электронный поток, и магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, размещенную внутри вакуумной части прибора, отличающийся тем, что в качестве источника электронов использован кольцевой катод, в качестве резонаторов использованы кольцевые резонаторы, а кольцевые постоянные магниты размещены попарно вокруг пролетного канала. 2. Клистрон по п.1, отличающийся тем, что магниты расположены на входе и выходе электродинамической системы. 3. Клистрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что магниты расположены в области электродинамической системы по крайней мере между двумя резонаторами.